出品|网易科学人栏目组 小小
野火烧毁了美国数百公顷森林，浓烟遮蔽俄勒冈州和华盛顿州的天空长达数周。干旱毁了蒙大拿州和达科塔州的庄稼收成，飓风给佛罗里达州和波多黎各带来了暴雨和洪水。家庭、企业以及生命，在这些天灾中都损失惨重。然而，这些事件不过是恶劣天气造成的部分破坏和影响。在今年9月份仅仅一个月中，美国就将这些倒霉事全部体验了一遍。
图1：控制天气通常是科幻小说中的幻想，但科学家们的努力让这个幻想变得真实了许多。然而，即便人们能控制天气，是否应该控制天气可能仍值得考虑。
难怪人们长期以来都在想方设法地尝试控制天气。适量的阳光和雨水会带来健康的庄稼、安全以及繁荣。而阳光和雨水无论是过量还是短缺，都会引发饥荒和死亡。
在科幻小说中，人们能够改变天气。例如，《X战警》中的暴风女就可以利用对大气的控制来制造龙卷风、暴风雪、闪电以及其他天气现象。在《狮子、女巫和魔衣橱》中，名叫Jadis的女巫给纳尼亚的土地带来了无尽的冬天。而新电影《全球风暴》中，则可通过控制天气的卫星让地球上的破坏性力量保持在可控范围内。
然而在现实中，这一切都是不可能的。没人可以用炮火来阻止飓风来袭，也没人可以用液氮来驯服龙卷风(尽管有人已经获得了这个概念的专利)。尽管如此，人们还是在改变天气。自上世纪40年代以来，改变天气就成为可能。我们现在可以使云在需要时释放额外的水分。人们也开始以无意识的方式改变天气，许多人类活动都会对地球气候产生影响。然而，最大的问题在于，改变地球天气是否是个好主意。
云催化
今年1月份，在美国爱达荷州首府博伊西向北约80公里处，两架飞机起飞后进入云层。地面监测则由将在数周内被雪覆盖的移动雷达站完成。大气科学家控制着所有这些设备，等待实验的开始。他们正在执行代号为SNOWIE的项目。该项目试图研究如何进行云催化，即如何人工提高降雨或降雪量。
图2：在进行云催化研究期间，地面上卡车携带的移动雷达将被埋在雪中
云催化研究早在1946年就开始了，当时化学家文森特·沙伊弗（Vincent Schaefer）在他的实验室里进行试验。他把干冰（冷冻后固态的二氧化碳）放进实验室里，房间里立刻充满了冰晶。《ScienceNews》在1947年1月份时报道称:“干冰落在云上，导致了云层中出现微小的冰，它最终变成雪落在地球上。”
后来的研究用碘化银微粒代替了干冰。为了将这些物质转化为云，科学家首先在混合物中加入可燃物质，接着这些材料被点燃，散发着碘化银粒子的烟雾进入了云层。这些粒子变成了原子核，可以让液态水的雨滴温度下降变成冰晶体。在云中，水蒸气会在这些新形成的冰晶周围凝结，使它们膨胀变大。当晶体变得足够大时，它们就会落到地面上。这类似于在云中自然发生的情况，它将继续产生降水。灰尘、烟雾或盐粒都可以充当原子核，让云层中的液体冻结滴落。
当云催化被发现后，科学家们开始疯狂地推测接下来可能会发生什么：终结冰雹、填满饮用水水库、预防致命的冰雪风暴或者改变龙卷风的路径。科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心(NCAR)的大气科学家罗埃洛夫·布伦特思（Roelof Bruintjes）回忆说:“即使是获得1932年诺贝尔奖的科学家也曾预言，我们有望在10年间改变飓风的路径。”然而，随后的研究表明，事情远比这复杂得多。云催化可能会起作用，但不是每个地方的上空都有云。
图3：为了进行云催化，材料需要被点燃以释放碘化银。这架飞机被改装成一种看起来像火箭的装置，它可以燃烧催化材料
在上世纪50、60年代，美国和其他政府向改变气候的相关研究中投入了大量资金。他们看到了控制天气的巨大潜力，不仅可以帮助民众，还可能有助于提高军事实力。天气控制可能是一种潜在的武器。它还可以在特殊行动中，保证军队获得所需的有利天气。然而，在实验室里运行良好的东西并没有在天空中出现。并不是每次进行云催化的尝试都能引发降雨或降雪。即使采取了云催化行动，也无法判断是否会导致降雨。怀俄明州大学的大气科学家杰弗里·弗兰奇（Jeffrey French）解释说:“有很多自然变量发挥影响。”
随着时间的推移，用于研究云催化技术的资金开始减少。更多的努力被用于改善天气预报。然而，改变天气的尝试并没有完全停止。世界气象组织的数据显示，目前超过50个国家都在开展人工云催化研究项目。例如，中国曾在2008年发射了数百枚火箭以进行云催化，目标是确保北京夏季奥运会举行开幕式时天空晴朗。此外，还有数十家私人天气改造公司，而许多其他公司也在为云催化研究埋单。
他们今天所取得的成就，比曾经提出的宏伟愿景要小得多。弗兰奇表示：“在某些情况下，云催化可能非常有效。”他估计，在风暴中进行云催化可以增加约15%的降水。但是，科学家们仍不知道什么才是云催化产生效果的正确条件。
下雪的冬天
这正是SNOWIE项目的目的所在。多年来，爱达荷电力公司始终在运行一个云催化项目，希望其附近山区能够积攒下更多的冬雪。当积雪在春天和夏天融化时，可以滋养河流和湖泊，从而有助于水力发电。没有足够的水，爱达荷电力公司就不能为其客户提供足够的能源。云催化研究对这家公司来说是有意义的，但这些努力必须取得更好的数据，才能真正获得回报。
弗兰奇指出，与许多科学领域不同的是，在大气科学中建立受控实验是很困难的。他说：“我们被困在了天空实验室里，实验永远无法百分之百重复，因为每次你出去做测量时，情况都截然不同。所以我们在寻找可以尝试做些对照实验的情形。事实证明，云催化就是这样的一个领域。”
图4：SNOWIE项目团队利用2架飞机从云层内部研究云催化技术
在他们的实验中，SNOWIE项目的科学家们会从一架飞机上对云层的一部分进行催化。然后他们会用第二架飞机对整片云层的状况进行测算。研究人员收集了各种各样的数据，包括云层大小和云层温度范围，有时温度会达到零下10摄氏度。他们拍摄了高分辨率的云晶体图像，这些图像可以展示晶体是如何生长变大的。飞机和地面上的雷达提供了更宏观的云结构数据，这可能帮助他们弄清楚云层深度、云顶高度以及哪里可能会发生降水。
弗兰奇解释说：“所有云中发生的事情都非常重要，而当考虑进行云催化时，我们实际上只是在尝试修改一两个进程。”该团队对所有这些数据的评估仍将继续，结果将有助于未来在爱达荷州进行的云催化行动。此外，这些数据还将帮助科学家了解云层的自然特性以及它们内部的情况。弗兰奇表示：“如果我们不能理解这些，我们就没有希望了解云催化本身的影响。”
改变世界天气
与此同时，人类活动已经开始改变天气，而且是以一些显而易见的方式进行改变。科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心(NCAR)的大气科学家布伦特思说，“通过改变气候，我们已经在改变天气。”
总部位于路易斯维尔的Vaisala公司向政府和其他组织提供有关天气的数据和软件，以帮助他们做出决策。该公司首席科学官、气象学家凯文·佩蒂（Kevin Petty）指出，天气和气候是截然不同的现象，但它们又是息息相关的。天气是在很短的时间内发生的天气事件，而气候通常是在较长时间内发生的。
佩蒂引用这句话“气候是我们所期望的，天气是我们得到的”进行总结。某个地区的气候可能会显示，夏季通常都是晴天，而且气温可达到30摄氏度。但是在任何一个特定的夏日，天气可能达到35摄氏度，并伴随有雷暴发生。地球上的气候和天气模式正在发生变化，因为人类活动增加了大气中二氧化碳和其他温室气体的含量。这些气体就像覆盖着地球的大毯子，它们有助于保持热量。如果没有这些气体，地球将变成巨大的冰球。但是随着这些气体的增加，地球覆盖的毯子越来越厚，我们就会感到越来越热。
现在地球内保存的热量比它几千年来积累的都要高。这些额外的热量为驱动地球气候变化提供了更多的能量，而且会产生更广泛的影响。
图5：2016年是有记录以来最热的一年。在这张图中，蓝色区域代表它们比长期平均温度要低，红色则表示更温暖
宾夕法尼亚州立大学的大气科学家大卫·泰特利（David Titley）指出，地球上的平均温度始终在上升。泰特利曾是美国海军少将，领导过一个应对气候变化的特别工作组。上世纪60年代被认为是最炎热的日子，但也比现在的温度要低几度。同样地，如今的冬天也不像以前那么冷了。无需感到奇怪，地球上的平均气温记录不断被打破，2016年、2015年以及2014年都是有记录以来最热的年份。而这仅仅是个开始。
图6：飓风哈维引发大洪水，美国国民警卫队队员不得不帮助那些被淹没地区的人们。
泰特利指出:“温暖的空气中含有更多的水蒸气。下雨的时候，降雨也会更猛烈。”这更有可能引发洪水。温暖的空气也会使更多的水从土壤中蒸发。他解释称：“这样你就会更快地陷入干旱之中。”而当干旱开始后，它就会自我延续下去，从而使降水减少的时间更长。
科学家们仍在研究气候变化如何会影响其他类型的极端天气，如飓风和龙卷风。它很有可能会产生影响，比如飓风会变得更加强烈。2017年，美国遭遇的飓风——哈维、厄玛以及玛丽亚，都伴随着强降雨和强风，气候变化可能是部分原因。这些气候变化导致全球天气模式发生改变。它们会引发各种各样的问题，包括极端天气事件。泰特利说:“你仍然可以在落基山脉滑雪，但在华盛顿特区这样的地方，圣诞节时下雪将越来越不可能。”
美国之外的地方也在经受气候变化带来的大大小小的影响。叙利亚的内战已经持续了数年之久，这场冲突在一定程度上就是由于严重的干旱引发的。泰特利指出，那些已经很富裕的人可能不会受到气候变化的影响。但如果你是世界上数十亿普通人中的一员，那就可能受到生命威胁。”
图7：由于加州干旱，2015年落基山脉的积雪（右图）比1年前要少得多。因此，人们可以使用的水也越来越少
操纵气候是个好主意吗？
泰特利说，没有任何“灵丹妙药”来消除气候变化造成的破坏。减少气候变化影响的最佳方式就是适应气候变化的影响，并向以非碳为基础的能源转变，同时停止温室气体的排放。”但是科学家也提出了两种气候干预的方法，或者称为“地球工程”计划。
一种方法是把多余的二氧化碳(CO2)从大气中吸收出来，但这并不容易，这些气体也会造成其他问题。但实际上，按照百分比来计算，大气层中的二氧化碳含量并不是很多。每100万空气分子中大约有400个二氧化碳分子。泰特利表示:“想象一下，这就像走进有100万个白球和400个红球的游戏室，而要找到那400个红球是很困难的。”在全球范围内，有很多二氧化碳分子。找到并有选择地移除它们，成本是非常昂贵的。但是最终，它们可以被永久地储存在某个地方。
第二种干预方法是让太阳变暗。或者更确切地说，在阳光到达地面之前反射到太空中。泰特利解释说:“如果我们反射会太阳光，那么我们就不会有那么多的热量进入地球内部，这样我们就不会热起来。我们认为这是可以做到的。”被称为“悬浮微粒”的微小颗粒可以被注入到大气中(高于喷气式飞机的飞行高度)。在那里，它们会反射太阳的能量，阻止它到达地面。
这类似于在火山爆发后自然发生的情况，这种爆发会把粒子喷射到空气中。这些影响只会持续几年，然后粒子就会掉出来。因此，如果要进行气雾剂播种，那么这些气溶胶就必须不断地被注入大气中。这需要耗费大量的资金和人们长期不间断的努力，同时它也无法阻止气候变化的一个重要方面——海洋酸化。当二氧化碳溶于水时，水就会变得更酸。不管阳光是否被阻挡，这都会发生。
光的过滤可能会改变降雨的方式，而这在今天是无法预测的。泰特利说:“所以，你可以给地球降温。你也可以阻止印度和华南地区的所有降雨，那里大约有20亿到30亿人依靠降雨来收获基本的粮食作物。”这些意想不到的后果会让我们明白：为什么任何方式的气候改变都可能是个坏主意。佩蒂强烈反对任何故意操纵天气或气候的行为，他质问道：“如果你在世界的某个地方这么做，其他地方可能会发生什么?”
科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心(NCAR)的大气科学家布伦特思说，驱动地球天气的是地球的各项基本性质，包括来自太阳的稳定能量流、地球的自转以及海洋释放出的水蒸气。如果我们改变了这些，那么我们可能无法继续在地球生存下去。布伦特思不认为云催化会造成问题，可是佩蒂和其他人并不那么确定，他们认为哪怕是很小的事情也值得警惕。
在电影《地球风暴》中，有人劫持了控制天气的系统。曾经确保地球安全的卫星现在变成了制造海啸、龙卷风和致命冰雹的武器。虽然这些都是虚构的，但它确实为现实生活提供了借鉴。就像电影中所说的那样:“有些东西从来就不是要被控制的。”这可能也包括地球的天气。（小小）
本文来源：网易科学人
责任编辑：
郭浩_NT5629
